基于802.11e EDCA的自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)制研究
1 IEEE 802.11e及其EDCA機(jī)制存在的問題
IEEE工作組于2005年底正式推出了IEEE 802.11e協(xié)議。該協(xié)議增強(qiáng)了原有的IEEE 802.11MAC信道接入方式,并支持優(yōu)先級(jí)QoS和參數(shù)化QoS；該協(xié)議中包含了兩種接入模式,即增強(qiáng)型分布式信道訪問EDCA（Enhanced Distributed Channel Access)與混和協(xié)調(diào)功能控制信道訪問HCCA（HCF，Controlled Channel Access)。其中，增強(qiáng)型分布式信道訪問(EDCA)是分布式信道訪問（DCF）的增強(qiáng)版，只能在競爭期 CP(Contention Period)內(nèi)使用,提供了不同優(yōu)先級(jí)的QoS?；旌峡刂菩诺涝L問(HCCA)則擴(kuò)展了點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF），在競爭期和無競爭期CFP(Contention Free Period)內(nèi)均可使用,提供了參數(shù)化的QoS。
增強(qiáng)型分布式信道訪問（EDCA）機(jī)制是目前學(xué)者研究的熱點(diǎn)，與IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的DCF機(jī)制相比較其改進(jìn)主要集中在兩個(gè)方面：接入控制與碰撞管理機(jī)制[3]。
(1)接入控制:在增強(qiáng)型分布式信道訪問(EDCA)機(jī)制模式下，傳送數(shù)據(jù)類似IEEE 802.11b的分布式協(xié)調(diào)功能（DCF），依然是基于 CSMA/CA (Carrier Sense Medium Access with Collision Avoidance)，它將IEEE 802.11b的訪問隊(duì)列AC從一個(gè)隊(duì)列變?yōu)?個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，不同的AC有不同的任意幀間隔AIFS(Arbitrary Inter Frame Space)、競爭窗口CW(Contention Window)和傳輸機(jī)會(huì)TXOP(Transmission Opportunities)，對(duì)于各式的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)入其對(duì)應(yīng)的隊(duì)列。目前的研究以4個(gè)隊(duì)列最為常見，如對(duì)于聲音、圖像、盡力而為（best effort）、背景流（backgound），有其對(duì)應(yīng)的隊(duì)列和不同的參數(shù)設(shè)置表，可以讓這些隊(duì)列在競爭信道時(shí)的優(yōu)先級(jí)有差異，各隊(duì)列的傳送優(yōu)先級(jí)從高到低依次為：聲音（AC0）>圖像（AC1）>盡力而為（best effort,AC2）>背景流（backgound,AC3），這樣可以使實(shí)時(shí)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)較快地得到服務(wù)。
(2)碰撞管理機(jī)制：在802.11e協(xié)議中， EDCA機(jī)制對(duì)來自不同站點(diǎn)的業(yè)務(wù)（隊(duì)列）之間沒有優(yōu)先級(jí)設(shè)置，它們必須通過公平競爭獲得信道。協(xié)議中除了涉及兩個(gè)不同站的隊(duì)列碰撞即真正的物理層碰撞之外，還有一種新的碰撞——虛擬碰撞，也叫內(nèi)部碰撞。 虛擬碰撞中涉及的碰撞隊(duì)列來自于同一個(gè)站點(diǎn)，如果從某站點(diǎn)發(fā)出的幾個(gè)隊(duì)列，在某一時(shí)間間隙同時(shí)完成退避，站點(diǎn)內(nèi)部的調(diào)度器會(huì)允許高優(yōu)先級(jí)發(fā)送，優(yōu)先權(quán)最高的隊(duì)列將首先訪問信道，之后其他隊(duì)列將執(zhí)行與真正的碰撞一樣的行為，且其競爭窗口增加了一倍，再次爭搶信道[4]。虛擬碰撞實(shí)現(xiàn)了隊(duì)列優(yōu)先級(jí)的區(qū)分，同時(shí)在某種程度上，加大了隊(duì)列碰撞的機(jī)率。
對(duì)于EDCA參數(shù)，802.11e標(biāo)準(zhǔn)中給出了一組建議值, 適合于大部分情況下的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。由于WLAN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)是隨時(shí)變化的，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄘ?fù)載）變化頻繁的情況下,標(biāo)準(zhǔn)中的建議值往往不足以滿足業(yè)務(wù)需求，音視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)也常常得不到及時(shí)的服務(wù)，且低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)受到很大的限制。因此對(duì)研究具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)EDCA參數(shù)的機(jī)制就顯得尤為重要和迫切，以滿足WLAN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)QoS的需要。
2 a-EDCA算法機(jī)制
802.11b網(wǎng)絡(luò)處于高負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，一方面，幀頭開銷及幀間間隔占用了信道傳輸時(shí)間；另一方面，沖突頻繁，有較多的碰撞與重傳，從而使業(yè)務(wù)總吞吐量有所下降。802.11e標(biāo)準(zhǔn)中的EDCA中采用了區(qū)分優(yōu)先級(jí)的策略，是以犧牲低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的帶寬為前提的，使低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)受到了很大的限制。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大且負(fù)載變化頻繁,尤其負(fù)荷變大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量嚴(yán)重下降并出現(xiàn)低谷現(xiàn)象。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是EDCA中優(yōu)先傳輸?shù)囊纛l和視頻流的幀長較短，傳輸?shù)膸蕉蹋瑤拈_銷比例就越大,且對(duì)背景流和盡力而為業(yè)務(wù)而言，AIFS與CW都較大，相當(dāng)于空閑時(shí)隙增大，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。遵循什么原則來設(shè)置或?qū)崟r(shí)調(diào)整EDCA參數(shù)是目前學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)[5-6],但基于802.11ｅ標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)建議值進(jìn)行WLAN性能優(yōu)化的算法則不多[7]，不能滿足實(shí)際WLAN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的需要。通過對(duì)802.11ｅ標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)建議及實(shí)際WLAN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的分析研究，筆者提出了一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)EDCA機(jī)制——adaptive-EDCA機(jī)制(a-EDCA）。該算法參數(shù)設(shè)置仍然以802.11e EDCA中默認(rèn)的參數(shù)為基礎(chǔ), a-EDCA算法參數(shù)設(shè)置如表1所示。
a-EDCA參數(shù)調(diào)整機(jī)制是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的具體條件動(dòng)態(tài)地調(diào)整參數(shù) CWmin和CWmax，從而及時(shí)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化。各個(gè)接入點(diǎn)AP連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)流量，通過參數(shù)調(diào)節(jié)算法確定CW的值，并廣播數(shù)據(jù)幀到內(nèi)部其他站點(diǎn)，各站點(diǎn)在收到信息之后以更新后的參數(shù)值競爭信道，從而達(dá)到公平占用信道的目的。a-EDCA機(jī)制算法的基本思想是：接入點(diǎn)AP一直監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，以1 s作為時(shí)間周期來判斷網(wǎng)絡(luò)吞吐量的變化，引入吞吐量變化門限值為0.3 Mb/s，當(dāng)檢測到吞吐量變化量達(dá)到門限值時(shí)，就及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變大時(shí)，若檢測到吞吐量減小，接入點(diǎn)AP將各業(yè)務(wù)流窗口CW[i]減小為原來的1/2，相對(duì)延長了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的退避時(shí)間，縮短了低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的退避時(shí)間，有效減少了碰撞機(jī)率。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載減少時(shí)，若檢測到吞吐量減小，則同時(shí)將各業(yè)務(wù)流的退避窗口CW[i]減小為原值的1/3，減少空閑時(shí)間。若檢測到吞吐量增大，則同時(shí)將各業(yè)務(wù)流的退避窗口CW[i]增大為原值的2倍。每作一次調(diào)整，對(duì)4個(gè)隊(duì)列的窗口CWmin和CWmax同時(shí)進(jìn)行同倍數(shù)的調(diào)整,所以4隊(duì)列的業(yè)務(wù)流量比例始終不變，a-EDCA機(jī)制算法流程圖如圖1所示。
3 a-EDCA算法仿真分析
為了驗(yàn)證a-EDCA機(jī)制算法性能，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用中的具體情況，建立了模擬仿真環(huán)境，并利用網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)該算法進(jìn)行了仿真。仿真工具選擇NS2，仿真時(shí)物理層采用802.11b，物理帶寬設(shè)為6 Mb/s，整個(gè)仿真時(shí)間為3 min。開始時(shí)假設(shè)只有2個(gè)站分別發(fā)送聲音(AC0)、圖像(AC1)、盡力而為(best effort,AC2)以及背景流4種業(yè)務(wù)流。每經(jīng)過15 s，發(fā)送各業(yè)務(wù)流的移動(dòng)站增長一倍。60 s時(shí)發(fā)送各業(yè)務(wù)流的移動(dòng)站達(dá)到16個(gè)，即發(fā)送4種業(yè)務(wù)的站共計(jì)64個(gè)；在60 s~105 s時(shí)間段內(nèi)，保持64個(gè)發(fā)送站數(shù)目不變；105 s~165 s時(shí)間段內(nèi),發(fā)送各業(yè)務(wù)流的移動(dòng)站開始每隔15 s以1/2遞減，到165 s時(shí)4種業(yè)務(wù)流的移動(dòng)站遞減到2個(gè)；165 s~180 s時(shí)間段內(nèi),各業(yè)務(wù)流移動(dòng)站沒有增減變化。分別對(duì)a-EDCA、EDCA算法的整體吞吐量及a-EDCA、EDCA算法4種業(yè)務(wù)流的吞吐量進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖2、圖3及圖4所示。圖3、4中AC0為聲音，AC1為圖像，AC2為盡力而為, AC3為背景流。
從圖2的仿真結(jié)果可以看出，a-EDCA使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量基本穩(wěn)定在5 Mb/s左右，與EDCA相比較信道利用率得到了很大的提高。從圖3與圖4的仿真結(jié)果可以看出，在a-EDCA算法中，4種業(yè)務(wù)流的比例基本保持穩(wěn)定,在為音視頻實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供及時(shí)服務(wù)的前提下，保證了高低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的公平性。
本文提出的a-EDCA算法能夠根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及業(yè)務(wù)分布情況來動(dòng)態(tài)調(diào)整EDCA參數(shù)，以達(dá)到自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求的目的，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)性能的最優(yōu)化。通過仿真分析可知，該算法在為音視頻實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供及時(shí)服務(wù)的同時(shí)，保證了低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的帶寬，提高了信道利用率。文中的站點(diǎn)來自于同一個(gè)站，主要是為了研究虛擬碰撞問題，不同站之間的競爭依然基于DCF機(jī)制，因此本文提出的算法在無線局域網(wǎng)中具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。
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